Detektor Foto Empat Kuadran Ganda Berdasarkan Silikon Hitam Nanometer yang Ditingkatkan dengan Inframerah Dekat

Abstrak

Dalam makalah ini, proses persiapan baru silikon hitam nanometer diusulkan, dimana bahan silikon hitam optik Se-doped perangkap tinggi disiapkan oleh ablasi laser berdenyut nanodetik dari silikon resistansi tinggi yang dilapisi dengan film Se dalam atmosfer gas HF. Hasilnya menunjukkan bahwa rata-rata absorptivitas pita 400–2200 nm sebelum annealing adalah 96,81%, dan absorptivitas tetap pada 81,28% setelah annealing pada 600 derajat. Sementara itu, silikon hitam yang disiapkan dengan teknologi baru digunakan dalam fotodetektor empat kuadran ganda, hasilnya menunjukkan bahwa, pada bias terbalik 50 V, responsivitas unit rata-rata adalah 0,528 A/W pada 1060 nm dan 0,102 A/W pada 1180 nm, dan arus gelap rata-rata adalah 2 nA di kuadran dalam dan 8 nA di kuadran luar. Fotodetektor empat kuadran ganda berdasarkan silikon hitam inframerah-dekat yang disempurnakan memiliki keunggulan responsivitas tinggi, arus gelap rendah, respons cepat, dan crosstalk rendah, oleh karena itu cocok untuk serangkaian aplikasi arah, seperti deteksi penglihatan malam dan medis. lapangan.

Pengantar

Fotodetektor dekat-inframerah yang disempurnakan [1,2,3] sulit untuk mendapatkan kinerja yang memuaskan dibandingkan dengan fotodetektor pada panjang gelombang lain [4,5,6] karena dibatasi oleh rentang respons, laju respons, arus gelap, dan crosstalk dalam jarak dekat. pita inframerah. Namun, sejak Carey mengembangkan detektor inframerah silikon hitam pertama pada tahun 2005, fotodetektor inframerah-dekat berdasarkan bahan silikon hitam mulai berkembang pesat. Kinerja silikon hitam yang dikembangkan oleh Carey jauh melebihi kinerja detektor inframerah silikon monokristalin. Tak lama kemudian, beberapa peneliti menambahkan teknologi pasif ke detektor silikon hitam untuk mengurangi arus gelapnya. Silikon hitam [7,8,9] menjadi bahan pilihan untuk fotodetektor yang disempurnakan dengan inframerah-dekat berbasis silikon karena tingkat penyerapannya yang tinggi dan spektrum penyerapan yang luas.

Sebagai salah satu bahan terpenting dalam industri semikonduktor, sangat penting untuk mengelola kualitas pemrosesan bahan silikon hitam dengan baik [10,11,12,13,14]. Persiapan silikon hitam dengan spektrum luas, penyerapan tinggi dan cacat rendah sangat penting untuk fotodetektor inframerah-dekat kinerja tinggi. Ada beberapa penelitian tentang preparasi bahan silikon hitam dengan menggunakan laser femtosecond [15, 16] scanning pada atmosfer SF6 [17, 18], dan bahan silikon hitam pada pita ultraviolet hingga inframerah dekat dapat mencapai penyerapan lebih dari 90% [ 19]. Namun, penyerapan di wilayah inframerah-dekat berkurang menjadi sekitar 50% setelah anil suhu tinggi. Sementara itu, peneliti menemukan bahwa penyerapan silikon hitam yang didoping Se dan Te berkurang secara signifikan dengan anil dibandingkan dengan silikon hitam yang didoping S, tetapi di bawah proses doping membran Se dan Te padat, bahan silikon hitam disiapkan dalam bentuk bukit, dan perangkap cahaya tidak cukup baik [20, 21].

Dalam makalah ini, proses persiapan baru silikon hitam nanometer diusulkan, dimana bahan silikon hitam optik Se-doped perangkap tinggi disiapkan oleh ablasi laser berdenyut nanodetik dari silikon resistansi tinggi yang dilapisi dengan film Se dalam atmosfer gas HF. Hasilnya menunjukkan bahwa rata-rata absorptivitas pita 400–2200 nm sebelum annealing adalah 96,81%, dan absorptivitas tetap pada 81,28% setelah annealing pada 600 derajat. Sementara itu, silikon hitam yang disiapkan dengan teknologi baru digunakan dalam fotodetektor empat kuadran ganda, hasilnya menunjukkan bahwa responsivitas unit rata-rata adalah 0,528 A/W pada 1060 nm dan 0,102 A/W pada 1180 nm pada bias 50 V, dan arus gelap rata-rata adalah 2 nA di kuadran dalam dan 8 nA di kuadran luar. Fotodetektor empat kuadran ganda berdasarkan silikon hitam inframerah-dekat yang disempurnakan memiliki keunggulan responsivitas tinggi, arus gelap rendah, respons cepat, dan crosstalk rendah, oleh karena itu cocok untuk serangkaian aplikasi arah, seperti deteksi penglihatan malam dan medis. lapangan.

Metode

Fotodetektor dibuat dan diuji dengan proses berikut. Pertama, bahan silikon hitam disiapkan, wafer silikon resistansi tinggi tipe-N dipotong menjadi sampel 5 cm × 5 cm, dan sampel dibersihkan dengan prosedur pembersihan standar dan dikeringkan dalam atmosfer nitrogen. Kemudian, serbuk Se dengan kemurnian 99,99% digunakan sebagai sumber penguapan, dan film Se diendapkan pada permukaan sampel Si dengan mesin pelapis vakum. Gas HF diperkenalkan dalam proses etsa laser femtosecond, dan parameter pemrosesannya adalah sebagai berikut:kecepatan pemindaian:1 mm/s; kepadatan daya laser:4,5 kJ/m² ; Tekanan gas HF:9 × 10⁴ Pa. Laser femtosecond yang digunakan dalam makalah ini adalah penguat laser femtosecond Ti:sapphire yang diproduksi oleh Spectra-Physics Corporation. Kedua, fotodetektor empat kuadran ganda disiapkan dengan menggunakan bahan silikon hitam, struktur skema fotodetektor empat kuadran ganda dan proses pembuatan spesifik ditunjukkan pada Gambar. 1 dan 2. Terakhir, morfologi silikon hitam dikarakterisasi dengan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (SEM), dan karakteristik spektral bahan diuji dengan spektrometer serat optik NIR2500 dan bola integrasi. Sedangkan arus respon, karakteristik arus gelap, waktu naik fotodetektor diuji. Selama pengujian, sumber cahaya adalah laser dari pita Amonics, arus gelap diukur dengan menambahkan kotak hitam ke detektor untuk mengukur arus di bawah bias terbalik, dan waktu respons diukur dengan membaca perubahan arus foto melalui osiloskop saat menggunakan sinyal pulsa laser yang bekerja pada detektor.

Struktur skema fotodetektor empat kuadran ganda

Proses pembuatan spesifik dari fotodetektor

Hasil dan Diskusi

Dalam makalah ini, bahan silikon hitam optik Se-doped perangkap tinggi disiapkan dengan ablasi laser berdenyut nanodetik dari silikon resistansi tinggi yang dilapisi dengan film Se dalam atmosfer gas HF. Di satu sisi, efek anil pada silikon hitam berkurang karena lapisan Se jenuh daripada menggunakan silikon yang didoping-S tradisional. Laju difusi atom S keluar kisi Si lebih cepat dari Se; oleh karena itu, efek anilnya buruk. Di sisi lain, HF didekomposisi menjadi H+ dan F− pada suhu tinggi, dan ion F berinteraksi dengan bahan silikon yang diablasi oleh laser femtosecond pada suhu tinggi untuk menghasilkan SiF4 yang mudah menguap; dengan cara ini, permukaan material terus tergores, membentuk struktur piramida skala nano, piramida skala nano yang dihasilkan oleh laser etsa secara efektif mengurangi reflektifitas silikon hitam. Sementara itu, pasif permukaan mengoptimalkan masa pakai pembawa minoritas, dan mengurangi kepadatan cacat bahan silikon hitam dan rekombinasi pembawa yang tidak perlu. Pengetsaan laser Femtosecond sederhana dan dapat direproduksi, di mana keseragaman susunan silikon hitam baik, sedangkan lebar celah pita silikon hitam dapat sangat dikurangi. Dengan mempelajari lebih lanjut pengaruh atmosfer gas, daya laser, dan kecepatan pemindaian laser pada sifat-sifat bahan silikon hitam, aliran proses yang dioptimalkan dapat diperoleh. Silikon hitam memiliki peningkatan yang signifikan dalam penyerapan setelah anil disiapkan oleh proses baru.

Fotodetektor empat kuadran ganda diproduksi dengan menggunakan bahan silikon hitam di bawah proses baru; struktur skema yang diusulkan dalam makalah ini diilustrasikan pada Gambar. 1. Fotodetektor yang diusulkan terdiri dari lapisan fotosensitif, alur isolasi dan lapisan silikon hitam. Diameter luar permukaan fotosensitif adalah 8 mm, sedangkan diameter dalam adalah 2 mm, dan area fotosensitif dipisahkan satu sama lain oleh slot isolasi. Fotodetektor yang diusulkan dapat menentukan ukuran offset dan orientasi target relatif terhadap sumbu optik sesuai dengan hasil deteksi kuadran yang berbeda, sehingga mencapai penentuan posisi yang akurat.

Arus respon, karakteristik arus gelap, waktu naik dan karakteristik crosstalk dari fotodetektor disimulasikan oleh perangkat lunak komersial COMSOL Multiphysics 5.4a untuk merancang struktur yang optimal. Arus respons, karakteristik arus gelap, waktu naik fotodetektor dapat diperoleh dengan Persamaan. 1-3. Dapat dilihat bahwa arus respon, arus gelap dan waktu respon berhubungan erat dengan ketebalan lapisan I dan tegangan bias ketika area, daya datang dan parameter material ditentukan; oleh karena itu, parameter ini sebagian besar disimulasikan.

$${\text{I}}_{{\text{p}}} =\frac{{qP\left( {1 - R} \right)}}{hv} \cdot \left( {1 - \ frac{{e^{ - \alpha W} }}{{1 + \alpha \sqrt {D\tau } }}} \kanan) + qP\frac{D}{{\sqrt {D\tau } }} $$ (1) $${\text{I}}_{D} =\sqrt {Aqn\frac{W}{2\tau }} + \left( {\frac{2m}{{E_{g} }}} \right)^{\frac{1}{2}} \left( {q^{3} E\frac{v}{{4\pi^{2} \hbar^{2} }}} \right)Ae^{{\left( { - \frac{4}{3qE\hbar }\sqrt {2mE_{g}^{3} } } \right)}}$$ (2) $$T =\ kuadrat {\left( {2.2t_{RC} } \kanan)^{2} + t_{d}^{2} + \tau_{d}^{2} }$$ (3)

Di mana P adalah daya datang, R adalah reflektansi, adalah koefisien penyerapan, W adalah ketebalan lapisan I, D adalah koefisien difusi lubang, dan adalah umur pembawa. E $\propto$ tegangan bias, t_RC singkatan dari konstanta waktu sirkuit yang terutama ditentukan oleh resistansi dan kapasitansi yang setara. t_d adalah waktu difusi, dan _d adalah waktu transit.

Pengaruh tegangan bias terbalik pada parameter di atas diilustrasikan pada Gambar 3, terlihat bahwa dengan peningkatan tegangan bias, arus respons dan arus gelap juga akan meningkat; namun, waktu naik akan berkurang. Oleh karena itu, perlu untuk menyeimbangkan kontradiksi antara arus respon, waktu naik dan arus gelap saat bias meningkat dan untuk memilih bias yang sesuai dengan permintaan. Dengan cara yang sama, ketebalan lapisan I struktur PIN, yang sangat menentukan ketebalan fotodetektor, juga disimulasikan dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 4. Sementara itu, Gambar 5 memberikan pengaruh lebar slot isolasi pada fotodetektor. , dapat dilihat bahwa ketika lebar slot isolasi ditingkatkan menjadi 100 μm, laju crosstalk pada dasarnya stabil. Menurut hasil simulasi, arus respons optimal, arus gelap dan waktu naik diperoleh, parameter perangkat spesifik ditunjukkan pada Tabel 1.

Arus respons, karakteristik arus gelap dan kurva perubahan waktu naik dari fotodetektor pada tegangan bias terbalik yang berbeda

Arus respon, karakteristik arus gelap dan kurva perubahan waktu naik dari fotodetektor pada ketebalan lapisan I yang berbeda

Pengaruh lebar slot isolasi pada kecepatan crosstalk

Untuk mencapai respons yang tinggi, kecepatan respons yang cepat, dan stabilitas fotodetektor yang tinggi, beberapa proses manufaktur juga telah dioptimalkan [22,23,24]. Pertama, alur isolasi dan cincin pemblokiran dirancang untuk mengurangi crosstalk antara area fotosensitif yang berdekatan. Kedua, proses penipisan dan pemolesan wafer digunakan untuk mengurangi ketebalan lapisan penipisan guna meningkatkan kecepatan respons perangkat. Ketiga, persiapan silikon hitam dengan ablasi laser femtosecond satu langkah sangat penting untuk mencapai pengulangan yang baik dan stabilitas bahan silikon hitam. Terakhir, perlakuan pasif bawah permukaan lapisan silikon hitam digunakan untuk mengurangi dan mengatur densitas keadaan cacat permukaan dan mengurangi senyawa bobot mati pembawa fotogenik untuk mencapai respons fotodetektor yang tinggi. Proses pembuatan fotodetektor yang spesifik ditunjukkan pada Gambar. 2. Diagram perangkat akhir ditunjukkan pada Gambar. 2j, di mana ketebalan lapisan I adalah 180 μm dan ketebalan lapisan PN adalah 10 m, P⁺ dibentuk oleh doping berat B pada silikon tipe P, N⁺ dibentuk oleh difusi P, dan elektroda kontak diendapkan oleh penguapan termal.

Gambar 6 menunjukkan perubahan morfologi permukaan dan sifat fotolistrik dari silikon hitam yang didoping-Se peka cahaya takik tinggi setelah anil suhu tinggi, parameter pemesinan spesifik adalah sebagai berikut:kecepatan pemindaian:1 mm/dtk; kepadatan daya laser:4,5 kJ/m² ; Tekanan gas HF:9 × 10⁴ Pa. Dapat dilihat pada gambar bahwa morfologi permukaan sebelum dan sesudah anil suhu tinggi lebih merata pada susunan silikon hitam tirus skala nano tanpa perubahan yang jelas. Dalam hal spektrum penyerapan, tingkat penyerapan rata-rata setelah anil silikon hitam yang dibuat di bawah proses baru dalam makalah ini mencapai 83,12%, ketahanan api meningkat secara signifikan dibandingkan dengan tingkat penyerapan sekitar 50% setelah anil silikon hitam yang didoping S . Selanjutnya, pengaruh kecepatan pemindaian pulsa laser femtosecond pada kinerja bahan silikon hitam diuji, dan hasilnya diilustrasikan pada Gambar 7. Dapat dilihat bahwa dengan penurunan kecepatan, jumlah doping elemen Se meningkat terus menerus, yang mengarah ke bentuk kerucut ujung silikon hitam yang lebih jelas dan tingkat penyerapan yang lebih tinggi.

Perubahan morfologi permukaan dan sifat fotolistrik material setelah anil suhu tinggi

Morfologi permukaan dan spektrum penyerapan bahan pada kecepatan pemindaian yang berbeda a 10 mm/s, b 5 mm/s, c 2 mm/dtk, d 1 mm/dtk

Menurut teori pemetaan Tauc, celah pita material dapat diperoleh dengan transformasi spektrum serapannya [25]:

$${\text{F}}\left( {{\text{R}}\infty } \right) \kira-kira \frac{{{\text{A}}^{{2}} }}{{{ \text{2R}}}}$$ (4) $$\left( {{\text{h}}\nu \alpha } \kanan)^{{\frac{{1}}{{\text{n }}}}} ={\text{K}}\left( {{\text{h}}\nu - {\text{Misalnya}}} \kanan)$$ (5) $${\text{h }}\nu =\frac{{{1239}{\text{.7}}}}{\lambda }$$ (6) $$\left( {{\text{h}}\nu {\text{ F}}\left( {{\text{R}}\infty } \right)} \kanan)^{{\frac{{1}}{{2}}}} ={\text{K}}\ kiri( {{\text{h}}\nu - {\text{Misalnya}}} \kanan)$$ (7)

Di mana A adalah singkatan dari absorpsi spektral, R adalah reflektansi. Titik belok (titik maksimum turunan pertama) diperoleh dengan menghitung turunan pertama dari hv-(hvF(R∞))^1/2 kurva, dan garis singgung kurva dibuat pada titik ini. Nilai absis perpotongan garis singgung dan sumbu X adalah celah pita sampel. Hasil lebar celah pita setara dari bahan silikon hitam pada kecepatan pemindaian yang berbeda ditunjukkan pada Tabel 2, dengan penurunan kecepatan pemindaian dan peningkatan konsentrasi doping Se, lebar celah pita menurun dibandingkan dengan 1,12 eV bahan silikon tradisional, dan pita spektrum meningkat.

Sambungan PIN dari fotodetektor empat kuadran ganda disimulasikan pada celah pita material yang berbeda. Hasil simulasi diilustrasikan pada Gambar. 8; hasilnya menunjukkan bahwa dengan penurunan lebar celah pita, puncak serapan arus foto bergeser ke arah pita inframerah-dekat. Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan hasil simulasi, kinerja optik dan listrik dari fotodetektor, kecepatan pemindaian yang optimal dapat dipilih.

Responsivitas silikon hitam dengan celah pita yang berbeda

Proses simulasi yang sama digunakan untuk menentukan parameter persiapan material yang optimal di bawah kondisi eksperimen yang berbeda, seperti kepadatan daya optik dan tekanan udara HF, yang ditunjukkan pada Gambar. 9 dan 10.

Morfologi permukaan dan spektrum penyerapan bahan pada tekanan udara HF yang berbeda a 1 × 10⁴ Pa, b 3,5 × 10⁴ Pa, c 6 × 10⁴ Pa, d 8.5 × 10⁴ Pa

Morfologi permukaan dan spektrum serapan bahan pada kerapatan daya optik yang berbeda a 2,5 kJ/m² , b 4,5 kJ/m² , c 6,0 kJ/m² , d 9,0 kJ/m²

Parameter pemesinan spesifik adalah sebagai berikut:kecepatan pemindaian:1 mm/dtk; kepadatan daya laser:4,5 kJ/m² ; Tekanan gas HF:9 × 10⁴ Pa, di bawah parameter eksperimental di atas, bahan silikon hitam disiapkan oleh teknologi baru, dan fotodetektor empat kuadran ganda dibuat. Gambar fisik fotodetektor dan hasil pengujian ditunjukkan pada Gambar 11, Tabel 3 dan 4, dan hasil responsivitas diukur dengan lapisan 2 mW. Hasil menunjukkan bahwa rata-rata unit responsivitas adalah 0,528 A/W pada 1060 nm dan 0,102 A/W pada 1180 nm pada bias terbalik 50 V, pita respons berkisar antara 400 hingga 1200 nm, yang pada dasarnya sama dengan simulasi hasil. Tingkat penyerapan spektral rata-rata lebih dari 90%, dan arus gelap rata-rata kurang dari 8 nA, arus gelap diukur dengan menambahkan kotak hitam ke detektor untuk mengukur arus di bawah bias terbalik, dan hasil arus gelap adalah sedikit lebih besar dari hasil simulasi, karena keseragaman kedalaman persimpangan di wilayah fotosensitif tidak ideal dalam pemrosesan yang sebenarnya. Sementara itu, waktu respons diukur dengan membaca perubahan arus foto melalui osiloskop saat menggunakan sinyal pulsa laser yang bekerja pada detektor, dan waktu naik rata-rata kurang dari 12 ns, yang sesuai dengan hasil simulasi yang diharapkan. Oleh karena itu, fotodetektor yang diproduksi dalam makalah ini tidak hanya mencapai posisi presisi empat kuadran, tetapi juga memastikan pita pendeteksi lebar, arus gelap rendah, dan respons cepat.

a Gambar fisik fotodetektor empat kuadran ganda. b Responsivitas sampel fotodetektor empat kuadran ganda yang berbeda

Kesimpulan

Dalam makalah ini, proses preparasi baru dari silikon hitam diusulkan, dimana bahan silikon hitam yang didoping optik dengan perangkap tinggi disiapkan dengan ablasi laser femtosecond dari silikon resistansi tinggi yang dilapisi dengan film Se dalam atmosfer gas HF. Hasilnya menunjukkan bahwa rata-rata absorptivitas pita 400–2200 nm sebelum annealing adalah 96,81%, dan absorptivitas tetap pada 81,28% setelah annealing pada 600 derajat. Sementara itu, silikon hitam yang disiapkan dengan teknologi baru digunakan dalam fotodetektor empat kuadran ganda, hasilnya menunjukkan bahwa responsivitas unit rata-rata adalah 0,528 A/W pada 1060 nm dan 0,102 A/W pada 1180 nm pada bias 50 V, dan arus gelap rata-rata adalah 2 nA di kuadran dalam dan 8 nA di kuadran luar. Fotodetektor empat kuadran ganda berdasarkan silikon hitam inframerah-dekat yang disempurnakan memiliki keunggulan responsif tinggi, arus gelap rendah, respons cepat, dan crosstalk rendah, oleh karena itu cocok untuk serangkaian aplikasi arah, seperti deteksi penglihatan malam dan medis. lapangan.

Ketersediaan data dan materi

Kumpulan data yang digunakan atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.

Singkatan

SEM:: Pemindaian mikroskop elektron
NIR:: Inframerah dekat

Rumus Matematika Ajaib untuk Nanobox Fe(II) dan Tannic Acid-Cloaked MOF sebagai Pembawa Artemisinin untuk Pasokan Ion Ferrous untuk Meningkatkan Pengobatan Kanker Payudara Triple-Negative

bahan nano